ADI实验室电路:灵活的中频至基带接收机解决方案

电路功能与优势

该电路是灵活的频率捷变中频至基带接收机。中频和基带 上的可变增益用于调整信号电平。 ADRF6510 基带ADC驱动器还包括可编程低通滤波器，可消除通道外阻塞和噪 声。

此滤波器的带宽可随着输入信号带宽变化而动态地调节。 这样可以确保由本电路驱动的ADC的可用动态范围得到充 分使用。

电路内核是IQ解调器。 ADL5387 基于2×LO的相位分离架构 支持宽频率范围工作。精确的正交平衡和低输出直流失调 确保了对误差矢量幅度（EVM）的影响极小。

本电路内所有元件间的接口均采用全差分式。如果不同级间需要直流耦合，相邻级的偏置电平彼此兼容。

图1. 直接变频接收机原理示意图（所有连接和去耦均未显示）

电路描述

接收机架构

本电路笔记中描述了接收机的直接变频（也称为零差或零中频）架构。与可以执行多次频率转换的超外差式接收机相比，直接变频无线电只能执行一次频率转换。一次频率转换的优势如下：

降低接收机复杂性，减少所需级数；提高性能和降低功耗

避免镜像抑制问题和不需要的混频产物；只需要基带上的一个LPF

高灵敏度（相邻通道抑制比［ACRR］）

图1显示了该系统的基本原理示意图，包括集成自动增益控制（AGC）环路的级联中频可变增益放大器（VGA），以及紧随其后的正交解调器、具有可变基带增益的可编程低通 滤波器。图1中以灰色显示的元件（ ADF4350 和 AD9248） 是为清楚起见，并不包括在系统级测量中（有关这些器件的详情请参见“常见变化”部分）。

理想情况下，第一级的输入和最后级的输出应设置系统的 动态范围（信噪比）。实际上，情况可能并非如此。在正交 解调器之前放置级联VGA不仅会给系统带来更多增益，而 且有利于整体系统噪声性能，只要VGA的噪声系数低于正 交解调器，只要VGA仍具有增益，且未发生衰减。后续级 的噪声系数通过初始VGA的增益进行分频处理。提供VGA （相对于仅提供固定增益放大器）的另一优点是AGC环路可 经设计以调平正交解调器的输入信号。这一限制施加于正 交解调器和任何后续级的信号电平的能力非常重要。

中频VGA和AGC环路

中频VGA和AGC环路功能可通过 ADL5336来实现。它具有 两个可级联VGA，每个VGA具有24 dB的模拟动态范围，并 且可以通过SPI端口以数字方式改变每个VGA上的最大增 益。

为了实现信号调平AGC功能，每个 ADL5336 VGA具有平方 律检波器，通过可编程衰减器连接到输出。检波器将衰减 器的输出与63 mV rms的内部基准电压进行比较。如果衰减 器输出与63 mV rms基准电压间有差异，误差电流便会产生 并集成到CAGC电容内。AGC环路通过将DTO1/DTO2引脚连 接到GAIN1/GAIN2引脚关闭。为了使AGC环路正常工作， 将MODE引脚拉至低电平，从而产生负VGA增益斜率。

每个 ADL5336 VGA具有允许的输入功率范围，AGC将在此 范围内调平至特定设定点。在该范围以外，VGA输出随输 入一起按dB递增或递减（假定VGA未处于压缩状态或信号 不在噪底内）。

IQ解调器

信号从 ADL5336 路由至 ADL5387，在此接受解调并将频率 转换为零中频。 ADF4350频率合成器可向 ADL5387提供所 需的2×LO信号（参见“常见变化”部分）；但实际测试使用信 号发生器代替 ADF4350 。

ADL5387 使用两个双平衡混频器，一个用于I通道，一个用 于Q通道。提供给混频器的LO使用2分频正交分相器生 成。这为I和Q通道提供了0°和90°信号。 ADL5387在RF输入 至基带I和Q输出之间提供约4.5 dB的转换增益。

低通滤波器、基带VGA和ADC驱动器

低通滤波、基带增益和ADC驱动器功能全部使用 ADRF6510来实现。施加于 ADRF6510的信号现在具有独立 的I和Q路径，信号首先通过前置放大器放大，然后进行低 通滤波，以抑制任何不需要的带外信号和/或噪声，最后通 过VGA放大。

ADRF6510 的每个通道可分为三个级：

前置放大器

可编程低通滤波器

VGA和输出驱动器

通过GNSW引脚，前置放大器具有6dB或12dB的用户可选增益。低通滤波器可通过SPI端口设置为1MHz至30MHz的转折频率，步进为1MHz。VGA具有50dB增益范围，增益斜率为30mV/dB。VGA增益通过GAIN引脚控制，GNSW引脚被拉低时范围可为0.5dB至+45dB，GNSW引脚被拉高时范围可为+1dB至+51dB。输出驱动器能够将1.5Vpp差分电压驱动至1k负载内，同时保持高于60dBc的HD2和HD3。

可施加于低通滤波器同时仍在 ADRF6510内保持可接受的HD电平的最大CW信号为2Vpp。如果存在较大带外干扰源且可能造成 ADL5387 和/或ADRF6510的输入过载，带外干扰源（及所需的带内信号）可通过 ADL5336VGA予以衰减。 一旦带外干扰源被ADRF6510的低通滤波器抑制，所需信号可使用XAMPVGA（紧随 ADRF6510的滤波器）放大。

ADRF6510发出的IQ信号可施加于适当的模数转换器（ADC），例如AD9248。

测量结果

4-QAM、5 MSPS调制信号被施加于ADL5336的输入。有关测试设置的更多信息，请参见“电路评估和测试”部分。

EVM衡量数字发射机或接收机的性能质量，反映幅度和相位误差所导致的实际星座点与理想位置的偏差。如图2所示。

图2. EVM图

图3显示了系统EVM与ADL5336输入功率的关系，VGA上的最大增益针对VGA1和VGA2分别设置为15.2dB和19.5dB。

测试了数个AGC设定点组合。图4也是系统EVM与ADL5336输入功率的关系；不过VGA的增益分别设置为9.7dB和13.4dB。测试了相同的AGC设定点组合。

图3. 系统EVM，数字VGA增益=11

图4. 系统EVM，数字VGA增益=00

图3和图4说明，施加于 ADRF6510 的信号电平必须保持足 够低以免压缩输入级和/或滤波器。在最高AGC设定点 （500mVrms和707mVrms）， ADL5387IQ解调器的输入开始压缩并给EVM造成额外下降。当AGC设定点位于最低点 （88mVrms）时，可实现最佳EVM。当设定点为250mVrms 时，EVM已经开始下降。

图5比较了 ADL5336VGA上的最小和最大数字增益设置（VGA 均设置为增益代码11或增益代码00）间的EVM，此时VGA1 和VGA2设定点分别为250 mVrms和88 mVrms。

图5. 系统EVM，VGA1设定点=250MVRMS，VGA2设定点=88MVRMS

对于给定AGC设定点，当最大增益代码为11时，从VGA2 至VGA1的切换在VGA2超出增益范围后发生；因此，施加 于 ADRF6510 的信号电平继续增加（同时EVM下降），直至 VGA1到达设定点。一旦VGA1到达设定点，EVM再次变 平；因此施加于 ADRF6510 的信号电平在大约5 dBm的输入 功率下不会变化，除非VGA1超出增益范围。当最大增益 代码设置为00时，VGA均可提供更多衰减，因此允许VGA2偏移动态范围，以免在输入功率低至与最大增益代 码为11时相同的情况下到达设定点。这样VGA2可在较高 输入功率下保持在设定点，使VGA2至VGA1的切换可发生 在VGA2超出增益范围之前。这样就能确保施加于 ADRF6510的信号电平保持在恒定值，直至到达输入功率 范围最高点。

图6比较了 ADL5336 VGA上的最小和最大数字增益设置（VGA 均设置为增益代码11或增益代码00）间的EVM；不过VGA1 和VGA2设定点分别为707mVrms和88mVrms。

图6. 系统EVM，VGA1设定点=707MVRMS，VGA2设定点=88MVRMS

图6中的动态特性与图5相同，只不过更为夸张。当最大增 益代码为00时，VGA2在约-40dBm的输入功率下到达设定点。其保持设定点至约-10dBm，此时VGA1尚未到达707mVrms的设定点。除非输入功率约为0dBm，并且EVM开始略微变平，否则VGA1不会到达设定点。当最大增益设置为11时，相同情况再次发生；不过，VGA2仅保持设定点至大约-20dBm，因为再无更多增益可用于获得规定的设定点。

常见变化

系统和频率合成器

为 ADL5387提供2XLO的信号发生器可被宽带频率合成器取 代，例如 ADF4350，该器件集成了VCO。 ADF4350 属于一个频率合成器系列，该系列具有135MHz至4350MHz的宽 频率范围，且具有变化的相位噪声和输出功率指标，因此很容易找到符合应用所需规格的器件。

系统和ADC

为系统添加ADC以对 ADRF6510的I和Q信号进行采样正是完善模拟信号链自然演化的结果。双通道ADC，例如 AD9248，提供14位分辨率，且采用20MSPS、40MSPS或65MSPS采样速率。建议在 ADRF6510 和 AD9248 的输出之间放置抗混叠滤波器。抗混叠滤波器设计示例请参考 ADRF6510 数据手册。

ADRF6510 输出共模电压考虑因素

ADRF6510 输出共模电压可在1.5V至3.0V范围内调节，且不会损失驱动能力。许多现代ADC的输入共模电压小于1.5V。 将VOCM引脚驱动至小于1.5 V的输出共模电压使ADRF6510 的失真性能开始下降；但器件在小于1.5 V的共模电平下仍可工作。为了保持失真性能，可能需要直流电平转换电 路，或者可使用具有较低共模电压的集成式滤波器和VGA器件，例如ADRF6516。

电路评估与测试

需要/使用的设备

信号发生器包括：

Agilent E4438C vector signal generator

AgilentE4438C矢量信号发生器

基带信号捕获器件有

AgilentDSO90604A示波器

EVM运算器件包括：

Agilent89600VSA软件

运行WindowsXP的PC，通过USB电缆连接到示波器

电源包括：

±5V电源除 AD8130电路板需要±5V外，所有电路板均需要+5V

评估板包括：

ADL5336-EVALZ （需要一个）

ADL5387-EVALZ （需要一个）

ADRF6510-EVALZ （需要一个）

AD8130-EBZ （需要两个）

开始使用

要使用 ADL5336和 ADRF6510，需要评估软件来控制每个器件的各个方面。此软件可在工具、软件和仿真模型链接中的各个产品网页上找到。

下载和安装软件后，将USB电缆从电脑连接到评估板，然后针对需要控制的器件运行软件。

功能框图

图7显示了用于测试接收链的测试设置的功能框图。 ADL5336评估板仅允许单端输入和输出。 ADL5387板上的RF输入也是如此。矢量信号发生器上的RF输出端口仅为单端；因此，发生器与 ADL5336的输入之间需要巴伦。如图7 所示，直至 AD8130差动放大器的其余信号路径均为差分。 由于示波器仅允许对单端信号进行采样，同时受VSA软件控制，因此需要差分转单端转换。

设置与测试

接收机测试设置的第一步是开启所有测试设备。测试设备预热时，电路板必须正确配置以便在信号链内正常使用。

在 ADL5336上，应确保安装0w跳线电阻，将VGA1输出连接到VGA2输入。

在ADL5387电路板上，旁路输出巴伦以在ADL5387和ADRF6510之间构建完整的差分、直流耦合信号路径。

在 ADRF6510电路板上，执行下列操作：

旁路输入和输出巴伦

在输出信号线路上放置1k差分输出负载（每个输出路径上放置两个接地的500电阻就足够了）

用1μF电容取代普通COFS电容

图7. 测试直接变频接收机的功能框图

收集评估板并将所有信号路径连接在一起，如图7所示。将所有电路板连接到+5V，同时将两个 AD8130板连接到-5V。请确保电源电流与期望值一致。

如图7所示，完成下列连接：

将矢量信号发生器的单端、50输出连接到 ADL5336评估板的INPUT1。

将AD8130的I信号路径输出连接到示波器上的输入1，并将AD8130的Q信号路径输出连接到示波器的输入3。

将USB电缆从PC连接到示波器。

将信号发生器的RF端口连接到ADL5387评估板的LO输入。

在AgilentE4438C信号发生器上，执行下列操作：

将频率设置为400MHz

将幅度设置为0dBm

接通RF端口

在AgilentE4438C矢量信号发生器上，执行下列操作：

将RF载波频率设置为200MHz

接通RF端口

接通RF端口

接通矢量信号发生器内部的定制ARB

将信号设置为4-QAM，符号速率设置为5MSPS，脉冲整形滤波器值设置为0.35

在PC上，启动Agilent89600VSA软件。在VSA软件中，执行下列操作：

接通数字解调器

将输入设置为I+jQ选项

将频率设置为0Hz，符号速率设置为5MSPS，值设置为0.35

矢量信号发生器上的信号指标必须匹配VSA软件上的指标。软件启动后，应显示IQ星座图窗格和频谱窗格。在VSA软件中通过下列步骤添加信息窗口：

点击显示

点击布局

选择栅格2×2

默认情况下，已经显示的其他两个窗格应为误差矢量与时间和信息窗口：符号/误差。如果并非如此，执行下列操作

双击任意窗格的标题

在出现的窗口中选择符号/误差

符号/误差窗格提供许多结果，包括EVM。软件应锁定在信号上，并报告EVM数值。

AGC设定点、最大增益和滤波器带宽全部可采用个别器件的各控制软件来设置。ADL5336输入端的功率控制可通过矢量信号分析仪上的功率扫描完成。从−80dBm扫描至几乎+16dBm，以便在此测试设置下测试接收机。 ADRF6510上的增益始终设置为实现1.5Vp-p差分输出电平，假定有足够的增益可用。某些情况下，对于极小的信号电平，ADRF6510无足够的增益来到达1.5Vp-p差分电平。